電動汽車磷酸鐵鋰電池組能量均衡控制系統(tǒng)的研制

鄧宏，王亮，呂淑珍

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湖北十堰442002）

電動汽車的研發(fā)成功是解決能源危機和環(huán)境污染的最佳方案之一。然而，傳統(tǒng)動力電池存在電池組壽命短、充放電速度慢、甚至在劇烈碰撞下可能引起爆炸等問題。因此新型鋰離子電池——磷酸鐵鋰電池應(yīng)運而生。但是，磷酸鐵鋰電池串聯(lián)使用中的不均衡現(xiàn)象大大的限制了其發(fā)展，解決電池組中各電池單體的不均衡問題，對電池組能量實現(xiàn)均衡控制，避免電池組進行惡性循環(huán)，以此提升電池組整體使用壽命，是電動汽車推廣應(yīng)用的首要任務(wù)[1,4]。

1 系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用主從式拓撲結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)動力電池的大規(guī)模串并聯(lián)應(yīng)用。其中，電壓檢測系統(tǒng)為從機，主要由XC878和LTC6802-1組成，負責(zé)電池組電壓的采集和數(shù)據(jù)傳輸，主機模塊主要由XE164組成，只要完成與從機的CAN 通信，讀取電壓數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，并對需要進行均衡的電池均衡。均衡電路部分是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，由功率開關(guān)陣列和功率器件驅(qū)動部分組成。人機交互部分由7 寸串口液晶組成，能完成系統(tǒng)關(guān)鍵信息的顯示和用戶設(shè)置功能。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 主要技術(shù)參數(shù)

假定外部充電電源使用恒壓限流充電方式，恒壓60 V，限流值與選用的電池有關(guān)系，本系統(tǒng)為限流900mA。1）單體電池規(guī)格：26650型磷酸鐵鋰電池，3000mAh，電池電壓3.3V，終止放電電壓2.5V，終止充電電壓3.75V；2）系統(tǒng)電池管理容量：16節(jié)。

2.2 均衡電路的設(shè)計

為了實現(xiàn)無損的能量均衡方式，降低能量耗散，必須使用電力電子的方法，將能量存于電感中。采用基于電感的雙向均衡拓撲[6]，相比于傳統(tǒng)的開關(guān)電容法和基于變壓器的集中式均衡拓撲，克服了嚴重的EMI 問題和變壓器漏感造成的多個副邊參數(shù)一致性困難的問題[1]。均衡結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 均衡電路結(jié)構(gòu)框圖

1）儲能電感設(shè)計 本系統(tǒng)設(shè)計時原型機用到的磷酸鐵鋰鋰離子電池的標稱電壓為3.3 V、標稱容量3000 mAH，設(shè)計的最大均衡電流為0.5 C，即1.5 A，就是電感上的峰值電流可以達3 A（臨界值）。為了能量的充分轉(zhuǎn)移，均衡電路要工作在斷續(xù)模式，所以電感在系統(tǒng)均衡前沒有電流，即電感上沒有能量。開始均衡后，最大電流出現(xiàn)在最頂端和最底端的電池均衡回路上,等效電路如圖3所示。

圖3 均衡電路等效電路圖

可知最大電流為

電感上的電流為

由此可得，電感上流過的最大電流為

即

假設(shè)工作頻率f為40 kHz，為了防止電感進入飽和狀態(tài)，占空比最大為50%。代入式（2）得電感值約為13.7 μH，在實際實驗中發(fā)現(xiàn)，均衡電流大小與理論計算之間有誤差，根據(jù)調(diào)整，最后選擇了電感值為15 μH 電感，可以滿足實際要求。

考慮到電感的體積和抗飽和特性，磁芯材料采用鐵氧體，高頻功率貼片電感。

2）功率MOS管在本系統(tǒng)中，MOS管要求有較高的耐壓值，能通過比較大的電流，由電路可知，MOS管導(dǎo)通時與電感串聯(lián)[2]，即

取電流值為3 A，留有一定裕量后，取值10 A，為了達到更好的均衡效果，降低能量耗散，開關(guān)管的導(dǎo)通電阻必須小，所以本系統(tǒng)選擇了Infineon的低壓MOS管IPP045N10N3 G。導(dǎo)通電阻只有4.2mΩ，VDS可達100 V，ID 最大為100 A。這些參數(shù)均能滿足設(shè)計要求。

3）續(xù)流二極管為了讓設(shè)計留有余量，續(xù)流二極管要求在導(dǎo)通時候能承受最1.5 C，即4.5 A 電流，而且導(dǎo)通壓降盡可能的低，考慮使用在電動汽車的動力電池組中，假設(shè)電動汽車電池組的總電壓為360 V，為保證充電和其他極限情況下二極管不被擊穿，因此二極管耐壓必須大于360 V，取1.5倍裕量。本系統(tǒng)中使用的是碳化硅二極管IDH05SG60C，二極管正向最大電流為5 A，反向峰值電壓為600 V，可以滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

2.3 控制電路設(shè)計

控制電路的主要功能是電壓、溫度信息的采集處理；均衡控制信號的分離與PWM 波產(chǎn)生；電流信號采集；人機交互?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

1）電壓溫度采集電路由磷酸鐵鋰電池的特性可知，當(dāng)電池的能量水平較大時，電池的端電壓可以表征剩余容量SOC 水平[3]，本課題采用的電壓采集芯片是LTC6802-1，這是一款完整的電池監(jiān)視IC，它內(nèi)置一個12位ADC、一個精準電壓基準、一個高電壓輸入多路測量12個串接電池的電壓。所有12個輸入通道上的電壓測量都能在13ms的時間之內(nèi)完成，本系統(tǒng)單個從機采集8節(jié)電池?？刂齐娐啡鐖D5所示，其中U4是數(shù)據(jù)隔離芯片，用于電壓采集芯片與從機的隔離，電池與LTC6802之間加入電容與電阻，減小干擾，使采集的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，P3、P5、P6、P7為工作模式選擇端，配置后可讓LTC6802工作于級聯(lián)（菊花鏈）模式和單機模式，U4 連接從機控制核心XC878，LTC6802與X878 使用SPI總線通信。

溫度采集使用可串聯(lián)工作的具有單總線工作模式的DS18B20 溫度傳感器，從機系統(tǒng)串聯(lián)8個DS18B20分別采集8節(jié)電池，采用獨立供電方式。圖5為電壓采集部分的電路圖。

2）電流采集電路 電流采集部分使用閉環(huán)霍爾式電流傳感器，輸出端串入電阻可將電流小信號變?yōu)殡妷盒盘?。為了實現(xiàn)阻抗匹配，電流傳感器與ADC之間加入電壓跟隨器，由于電池充放電電流流向不一樣，因此電壓值有正負之分，需要選用可采集正負電壓的ADC。本系統(tǒng)選用12 Bit 精度的AD7324，輸入電壓經(jīng)過必要的濾波后送入AD7324采集，AD7324 再與XE164 連接通信。為了保證小電流時采集的精確度，軟件上采用平滑濾波和中值濾波算法來對采集到的電壓值調(diào)理校正。

圖5 電壓采集電路圖

3）信號分離與指示、開關(guān)管的驅(qū)動電路 考慮到實際應(yīng)用中會有大量的電池串聯(lián)，因此會有較多的控制信號，所以應(yīng)該使用公共的信號通路，加入相應(yīng)的片選信號，這樣可以節(jié)省芯片管腳資源，同時也保證了電池均衡的唯一性，以防出現(xiàn)多塊電池同時均衡的不可控的狀態(tài)，本系統(tǒng)使用鎖存加片選的方法來實現(xiàn)這樣的功能，信號顯示部分可以直觀的顯示正在均衡的電池，以及電池出現(xiàn)的故障。電路模塊中的功率MOS管均需要相對應(yīng)的驅(qū)動電路。由于電路中的MOS管幾乎所有都是懸浮的，因此，需要使用隔離電源。同時為了實現(xiàn)對電池的保護，需要使用具有保護功能的驅(qū)動器。本系統(tǒng)均衡電路中的功率MOS管的驅(qū)動器件用的是單通道專用驅(qū)動器1ED020I12-F2。

3 軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)包括主從機，從機主要完成電池溫度、電壓的采集，同時通過CAN總線把采集到的信息發(fā)送到主機；主機主要完成電池組總線電流的采集，接受從機發(fā)來的信息并處理，同時通過串口把接受到的數(shù)據(jù)發(fā)送到液晶屏上顯示，在充放電過程中通過對數(shù)據(jù)的判斷實現(xiàn)對電池進行動態(tài)均衡控制。軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.1 控制流程

1）主機控制流程圖 采用均衡控制策略：初始化時PWM 關(guān)閉，繼電器打開。當(dāng)時間到達時，關(guān)閉繼電器，把CAN總線接受到所有電壓值進行相鄰比較找出壓差值最大的2節(jié)電池，并判斷此壓差值是否小于50 mV，若是則不均衡；若不是則再對電壓值較大的電池進行均衡。如此重復(fù)到所有電池壓差值在50 mV之內(nèi)。主機流程圖見圖7。[1,5]

2）從機控制流程圖 從機中電壓采集使用了LTC6802-1 電池電壓采集芯片，它是基于SPI總線。系統(tǒng)初始化后，對SPI 進行操作把各節(jié)電池電壓讀出，同時在定時器中對電池溫度進行讀取。數(shù)據(jù)讀取后通過CAN總線發(fā)送。如圖8所示。

3.2 測試結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計目標，性能指標及本系統(tǒng)采用的電池的特性，筆者制作了樣機（管理16節(jié)電池），外部充電電源使用恒流限壓（900 mA /60 V）充電策略的條件下，進行了開啟均衡充電與未開啟均衡充電測試對比，能量均衡系統(tǒng)進行了測試，實際測試波形結(jié)果如圖9所示，圖10為均衡系統(tǒng)UI 實拍圖，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

本系統(tǒng)樣機管理16節(jié)電池，表1截取上8節(jié)電池數(shù)據(jù)用以說明實驗現(xiàn)象，下8節(jié)電池有同樣的效果，限于篇幅未列出數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)由于受制于池的原因，輸出電流為0～10 A，充電電流900 mA。充電時每隔3 min 采集一次電壓，結(jié)合數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，開啟均衡后，采集到第4次時，8節(jié)電池的電壓已經(jīng)比較接近了（電壓差小于6 mV），表征電池的SOC 比較一致，可以預(yù)見隨著均衡過程的進行，最終電壓差將越來越小，最終停止均衡使電池的SOC 趨于一致。而未開啟均衡時，可以看到，采集到第4次時8節(jié)電池電壓還有比較大的差異，最大電壓差有47 mV，可以預(yù)見，隨著充電過程的繼續(xù)，該電壓差將維持。同時使用五位半萬用表和電流鉗等儀器設(shè)備對數(shù)據(jù)結(jié)果進行檢驗比較，根據(jù)測試結(jié)果得到結(jié)論：

圖9 500 mA 均衡電流時電感電流

圖10 實際顯示效果

1）本系統(tǒng)有比較高的電壓采集精度，電壓采集誤差可以控制在5mV之內(nèi)，這為電池組能量均衡提供了可靠地依據(jù)，并為系統(tǒng)保護的實施提供了條件；

2）本系統(tǒng)采用的基于電感的無損能量均衡結(jié)構(gòu)相比其他均衡結(jié)構(gòu)有結(jié)構(gòu)簡單，模塊化強，均衡效率高，能量損耗小的特點；

3）該系統(tǒng)能可靠地完成磷酸鐵鋰電池的充電過程的能量均衡，保護完善，功能齊全，具有良好的人機交互界面。

表1 開啟均衡與未開啟均衡充電過程對比

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用的基于電感的無損均衡結(jié)構(gòu)能比較好的完成充電過程的能量均衡，同時由于本系統(tǒng)模塊化強，適用于電動汽車動力電池的大規(guī)模串聯(lián)均衡使用，系統(tǒng)使用了觸摸液晶屏，能非常好的完成人機交互，操作簡單，功能齊全，具有較高的實際應(yīng)用價值。后期的主要工作主要是繼續(xù)完善靜態(tài)均衡和放電均衡，由于系統(tǒng)的能量水平較低，放電均衡和靜態(tài)均衡時會消耗系統(tǒng)的能量，對于像本系統(tǒng)原型機這樣的小系統(tǒng)而言，會得不償失，故只是開發(fā)出了相應(yīng)的算法，并在原型機上進行了驗證，并證實算法可行有用，還需進一步優(yōu)化。

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